KR20230169376A - 레이저 증착 용접 방법 및 시스템 - Google Patents

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팀 헤세
브외른 자우터
마르코 오피츠
베네딕트 베싱거
안드레아스 숄츠
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트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이저 증착 용접에 의해 공작물(14)의 회전 표면 영역(12)을 코팅하는 방법에 관한 것이며, 분말형 코팅 재료(22)는 상기 공작물(14)에 닿기 전에, 표면 영역(12)을 향하는 레이저 빔(18)으로 용융되고, 상기 공작물(14)에 의해 방출된 열복사(30)의 공간적으로 분해된 강도 프로파일이 캡처되고, 상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성은 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교되고, 비교 결과에 따라 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터가 변경된다. 본 발명은 또한 레이저 증착 용접에 의해 공작물(14)의 회전 표면 영역(12)을 코팅하는 시스템(10)에 관한 것이며, 상기 시스템(10)은 레이저 빔(18)을 표면 영역(12)으로 향하게 하는 레이저 장치(16), 레이저 빔(18)에 코팅 재료(22)를 블로잉하는 노즐(20), 공작물(14)을 회전시키는 회전 장치(24), 공작물(14)에 의해 방출된 열복사(30)의 강도 프로파일을 기록하는 카메라(28), 및 상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성을 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교하고 비교의 결과에 따라 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터를 변경하도록 설계된 제어 장치(32)를 포함한다.

Description

레이저 증착 용접 방법 및 시스템
본 발명은 분말형 코팅 재료가 공작물에 닿기 전에 표면 영역을 향하는 레이저 빔으로 용융되는 방식으로, 레이저 증착 용접에 의해 공작물의 표면 영역을 코팅하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 레이저 빔을 표면 영역으로 향하게 하는 레이저 장치와 레이저 빔에 코팅 재료를 블로잉하는 노즐을 포함하는, 레이저 증착 용접에 의해 공작물의 표면 영역을 코팅하는 시스템에 관한 것이다.
그러한 공정 중 하나가 EHLA(Extreme High Speed Laser Deposition Welding)로 알려져 있다. 이를 위해 적절한 시스템이 사용된다.
코팅 재료가 레이저 빔으로 미리 용융되면, 레이저 빔이 공작물의 표면을 용융하고 코팅 재료가 용융물 속으로 블로잉되는 종래의 레이저 증착 용접 방법에 비해 공정 속도가 크게 높아질 수 있다. 또한 EHLA 공정을 사용하면 거칠기 감소와 같은 개선된 표면 특성들이 달성될 수 있다.
레이저 증착 용접을 위한 (종래의) 방법은 WO 2004/022816 A1에 알려져 있다. 이 방법에서 레이저 빔은 공작물의 표면을 가로질러 이동된다. 레이저 빔은 표면을 국부적으로 용융하여 용융 풀을 만든다. 노즐에서 나오는 가스 제트를 사용하여 분말이 용융 풀 내로 블로잉된다. 용융 풀의 광 신호가 검출되고 평가되어 용융 풀의 온도를 결정한다. 상기 광 신호의 정보는 제어 루프에서, 레이저 출력이나 레이저 빔과 공작물 사이의 상대 속도와 같은 공정 파라미터들을 조정하는 데 사용된다.
초고속 레이저 증착 용접 중에 열 조건은 공작물의 기하학적 구조로 인해 달라질 수 있다. 이는 코팅 품질에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 공작물의 단면적을 줄이면 열 방출이 줄어들어 열이 축적될 수 있다. 이는 결국 코팅에 구멍이 생기게 할 수 있다. 반대로, 열 방출이 증가하면 공작물 재료와 코팅 사이의 결합 에러가 발생할 수 있다.
본 발명의 과제는 초고속 레이저 증착 용접에서 공정 신뢰성을 향상시키는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구항 제 1 항에 따른 방법 및 청구항 제 12 항에 제시된 특징들을 갖는 시스템에 의해 해결된다. 각각의 종속 청구항들 및 설명은 바람직한 변형들 또는 실시예들을 제시한다.
본 발명에 따른 코팅 방법
본 발명에 따르면, 레이저 증착 용접에 의해 공작물의 회전 표면 영역을 코팅하는 방법이 제공된다. 공작물의 회전은 둘레 방향으로 피드를 생성한다. 표면 영역은 예를 들어 브레이크 디스크의 단부면일 수 있다. 대안적으로, 표면 영역은 예를 들어 파이프, 특히 유압 실린더의 재킷면일 수 있다. 회전 표면 영역은 기본적으로 적어도 실질적으로 회전 대칭이다. 특히, 표면 영역의 내부 및 외부 윤곽은 일반적으로 회전 대칭이다. 표면 영역의 개별 섹션은 회전 대칭을 깨뜨릴 수 있다. 예를 들어, 표면 영역은 개별 구멍들 등을 가질 수 있다. 공작물은 바람직하게는 표면 영역의 대칭축을 중심으로 회전한다.
본 발명에 따른 코팅 방법에서는, 분말형 코팅 재료가 공작물에 닿기 전에 표면 영역을 향하는 레이저 빔으로 용융된다. 따라서 이는 초고속 레이저 증착 용접(EHLA)을 위한 방법이다.
공작물에 의해 방출되는 열복사의 공간적으로 분해된 강도 프로파일이 캡처된다. 열복사는 특히 적외선 복사이다. 강도 프로파일은 기본적으로 표면 영역에 대한 레이저 빔의 충돌점의 영역에서 캡처된다. 일반적으로 강도 프로파일에는 공작물의 재료가 용융되지 않은 충돌점의 주변이 포함된다.
강도 프로파일의 적어도 하나의 특성은 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교된다. 이를 위해, 적어도 하나의 특성의 적어도 하나의 특성값이 결정될 수 있다. 특성값은 목표값과 직접 비교될 수 있다. 목표값은 코팅 공정이 원하는 대로 이루어질 경우 강도 프로파일의 특성을 나타낸다.
코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터는 비교 결과에 따라 변경된다. 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터는 측정된 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성이 해당 목표값에 접근하도록 제어된다. 이는 표면 영역에서 코팅의 품질을 향상시킨다.
강도 프로파일의 캡처, 특성과 목표값의 비교, 및 파라미터의 조정은 기본적으로 코팅 공정이 수행되는 동안 연속적으로 수행된다. 앞서 언급한 단계들을 연속적으로 수행한다는 것은 충분히 작은 시간 간격으로, 예를 들어 적어도 100 Hz의 주파수로 반복적으로 수행하는 것을 의미한다.
강도 프로파일 분석을 통해 코팅 공정이 모니터링될 수 있다. 적어도 하나의 파라미터를 지속적으로 조정하면 공정 신뢰성이 향상된다. 또한 이는 특히 전체 표면 영역과 다수의 공작물들에 걸쳐 코팅의 품질이 일정한 것을 보장할 수 있다. 본 발명에 따른 코팅 공정 제어는 또한 불리하게 선택된 파라미터 초기값이 자동으로 수정되기 때문에 공정 파라미터의 프로그래밍 및 결정을 단순화한다. 또한 이러한 유형의 공정 제어를 통해, 예를 들어 표면 영역 내에서 열 흡수 능력이 너무 많이 변하여 코팅 공정의 다양한 파라미터들이 적용되어야 하기 때문에 기존 공정으로는 충분한 품질로 코팅할 수 없었던 공작물들을 코팅하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 코팅 방법은 바람직하게는 후술하는 본 발명에 따른 코팅 시스템을 사용하여 수행된다. 본 발명에 따른 방법은 아래에 설명된 추가 특징들을 가질 수 있다.
강도 프로파일은 카메라, 바람직하게는 적외선 카메라를 사용하여 캡처될 수 있다. 이러한 카메라를 사용하면, 공정의 수행이 단순화된다.
바람직하게는, 레이저 빔과 열복사 또는 카메라를 위해 공통 광학 장치가 제공된다. 레이저 빔과 열복사는 일반적으로 서로 다른 방향으로 상기 공통 광학 장치를 통해 안내된다. 레이저 빔의 충돌점의 영역에서 강도 프로파일을 캡처하는데 필요한 노력이 상기 공통 광학 장치를 통해 줄일 수 있다. 예를 들어 측면 방향의 피드 이동을 위해 광학 장치를 기울이거나 이동하는 것에 의해, 광학 장치를 사용한 레이저 빔의 충돌점이 변경되면, 카메라에 의해 캡처된 영역이 해당 방식으로 자동으로 변경된다. 또한 공통 광학 장치를 사용하면, 왜곡되지 않은 이미지가 쉽게 얻어질 수 있다.
대안적으로, 카메라가 레이저 빔에 대해 비스듬히 공작물로 직접 향할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 기존 코팅 시스템의 후속 업그레이드를 단순화할 수 있다.
강도 프로파일의 적어도 하나의 특성은
- 강도 프로파일의 직경,
- 전역 강도 최대치의 크기,
- 강도들의 합,
- 강도들의 평균값, 및/또는
- 강도 프로파일의 형상으로부터 선택될 수 있다.
앞서 언급한 특성들은 간단한 방식으로 결정될 수 있다. 또한, 발명자들은 코팅 공정의 목표 상태와의 편차가 있을 때 이러한 특성이 크게 변한다는 것을 인식했다.
강도 프로파일의 단면을 평가함으로써 상기 적어도 하나의 특성이 결정될 수 있다. 이는 강도 프로파일 분석을 단순화한다.
단면은 바람직하게는 표면 영역의 둘레 방향으로 연장된다. 발명자들은 이것이 목표 상태와의 편차의 검출을 향상시킬 수 있다는 것을 인식했다.
단면은 전역 강도 최대치에 대해 오프셋될 수 있다. 바람직하게는, 단면은 측면 피드 방향으로 강도 프로파일의 전역 강도 최대치 앞에 배열된다. 이러한 방식으로 연장되는 단면에서는 목표 상태와의 편차가 특히 분명해진다. 측면 방향은 단부면 코팅 시 반경 방향, 재킷면 코팅 시 축 방향에 해당한다.
특성은 특히 바람직하게는 국부적 강도 최대치의 표현, 특히 크기이다. 이를 통해 열 축적이 특히 안정적으로 감지될 수 있다. 전역 강도 최대치에 대해 오프셋된 단면에서 평가할 때, 국부적 강도 최대치는 관련 단면의 전역 최대치로 나타난다; 그러나 국부적 강도 최대치는 전체 강도 프로파일의 전역 강도 최대치보다 작다.
코팅 공정의 변경될 적어도 하나의 파라미터는
- 레이저 출력,
- 둘레 방향의 피드 속도,
- 측면 방향의 피드 속도,
- 측면 방향으로 레이저 빔의 연속하는 충돌점들의 오프셋, 및/또는
- 코팅 재료의 질량 흐름으로부터 선택될 수 있다.
이러한 파라미터를 사용하면, 코팅 공정에서 온도 관련 장애들이 효과적으로 보상될 수 있다.
코팅 재료는 바람직하게는 레이저 빔과 동심인 노즐로부터 나온다. 이는 공작물에 대한 코팅 재료 도포의 균일성을 향상시킨다. 필요한 경우 노즐은 레이저 빔 및 카메라용 공통 광학 장치에 동심일 수 있다. 코팅 재료는 공급 장치를 통해 노즐에 의해 블로잉될 수 있다.
공작물은 측면 방향 및/또는 둘레 방향으로 가변 열 흡수 능력을 가질 수 있다. 여기서 열 흡수 능력은 열을 저장 및/또는 전달하는 능력을 의미한다. 이러한 공작물들에서 본 발명에 따른 방법의 이점들은 특히 명백해진다. 공작물의 열 흡수 능력의 국부적 차이로 인해, 코팅 공정에 대한 다양한 파라미터가 필요할 수 있다. 고정 파라미터를 사용하는 경우 특정 상황에서는 (고품질) 코팅이 불가능할 수 있다. 그러나 적어도 하나의 파라미터를 자동으로 조정하면, 코팅이 어려운 공작물에도 고품질과 비용 효율적으로 코팅이 가능하다. 가변 열 흡수 능력은 예를 들어 공작물의 내부 구조로 인해 발생할 수 있다; 예를 들어, 공작물 내부에 환기 채널이 있을 수 있다. 가변 열 흡수 능력이 표면에 나타날 수 있다; 예를 들어, 공작물은 코팅할 표면 영역에 구멍들을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 코팅 시스템
본 발명의 범위는 또한 레이저 증착 용접에 의해 공작물의 회전 표면 영역을 코팅하는 시스템을 포함한다.
시스템에는 레이저 빔을 표면 영역으로 향하게 하는 레이저 장치가 있다. 레이저 장치의 레이저 출력은 2000 W 이상일 수 있다. 레이저 빔의 파장은 800 nm 이상, 바람직하게는 1000 nm 이상 및/또는 2000 nm 이하, 바람직하게는 1100 nm 이하일 수 있다.
시스템에는 또한 레이저 빔에 코팅 재료를 블로잉하는 노즐도 있다. 노즐은 바람직하게는 공작물을 향하는 레이저 빔에 대해 동심으로 배열된다.
또한, 시스템은 특히 표면 영역의 대칭축을 중심으로 공작물을 회전시키기 위한 회전 장치를 갖는다. 회전 장치를 사용하여 공작물을 회전시킴으로써 둘레 방향으로의 피드가 특히 간단한 방식으로 이루어질 수 있다.
시스템에는 또한 공작물에 의해 방출되는 열복사의 강도 프로파일을 기록하는 카메라도 있다. 카메라는 적외선 카메라인 것이 바람직하다. 따라서 열복사는 적외선 복사일 수 있다. 카메라를 사용하여 코팅 공정의 실제 열 상태가 확인될 수 있다.
끝으로, 시스템은 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성을 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교하고 비교 결과에 따라 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터를 변경하도록 설계된 제어 장치를 갖는다. 제어 장치는 특히 측정된 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성이 해당 목표값에 접근하는 방식으로 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터를 변경하도록 구성된다. 이는 표면 영역 상의 코팅의 품질을 향상시킨다. 제어 장치는 일반적으로 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성을 결정하도록 구성된다. 대안적으로, 적어도 하나의 특성은 예를 들어 카메라에 의해 결정될 수 있다.
시스템, 특히 카메라 및 제어 장치는 기본적으로 강도 프로파일을 연속적으로 캡처하고, 적어도 하나의 특성을 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 연속적으로 비교하고, 적어도 하나의 파라미터를 연속적으로 조정하도록 구성된다. 앞서 언급한 단계들을 연속적으로 수행한다는 것은 충분히 작은 시간 간격으로, 예를 들어 적어도 100 Hz의 주파수로 반복적으로 수행하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 시스템은 위에서 설명된 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 설계된다. 시스템은 방법의 추가 특징들을 구현하도록 설계될 수 있다.
시스템은 레이저 장치 또는 레이저 빔과 카메라 또는 열복사를 위한 공통 광학 장치를 가질 수 있다. 상기 공통 광학 장치를 사용하면, 일반적으로 레이저 빔과 열복사가 서로 다른 방향으로 통과할 수 있다. 레이저 빔의 충돌점의 영역에서 강도 프로파일을 캡처하는 데 필요한 노력은 상기 공통 광학 장치에 의해 줄어들 수 있다. 예를 들어 측면 방향의 피드 이동을 위해, 상기 광학 장치를 기울이거나 이동하는 것에 의해, 상기 광학 장치를 사용한 레이저 빔의 충돌점이 변경되면, 카메라에 의해 캡처된 영역이 해당 방식으로 자동으로 변경된다. 또한 상기 공통 광학 장치를 사용하면 왜곡되지 않은 이미지가 쉽게 얻어질 수 있다.
시스템은 강도 프로파일의 적어도 하나의 값 및/또는 적어도 하나의 특성의 적어도 하나의 값을 저장하기 위한 저장 장치를 더 가질 수 있다. 이는 코팅 공정의 분석과 영향을 단순화한다. 특히, 이를 통해, 예를 들어 품질 관리를 위한 후속 평가가 가능해진다.
또한, 시스템은 강도 프로파일의 적어도 하나의 값, 적어도 하나의 특성의 적어도 하나의 값, 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 값 및/또는 적어도 하나의 파라미터와 적어도 하나의 목표값 간의 편차의 적어도 하나의 값을 출력하기 위한 디스플레이 장치를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 디스플레이 장치는 카메라로부터의 이미지를 출력하도록 구성될 수 있다. 따라서 시스템 운영자는 코팅 공정을 쉽게 모니터링하거나 시스템을 구성할 수 있다.
본 발명의 추가 이점들은 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 나타난다. 본 발명에 따르면, 위에서 언급한 특징들과 후술할 특징들은 각각 단독으로 또는 다수가 임의의 바람직한 조합으로 사용될 수 있다. 도시되고 설명된 실시예들은 완전히 열거된 것으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 본 발명을 설명하기 위한 예시이다.
본 발명은 도면에 도시있으며 실시예들을 사용하여 설명된다.
도 1은 레이저 증착 용접에 의해 회전 공작물을 코팅하기 위한 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 열 축적이 발생하지 않으면서, 회전 공작물에 레이저 증착 용접할 때 코팅 영역으로부터의 열복사의 강도 프로파일을 개략적인 그레이 값 표현으로 보여준다.
도 2b는 도 2a의 강도 프로파일을 개략적인 3차원 표현으로 보여준다.
도 3a는 열 축적이 발생하는 동안, 회전 공작물에 레이저 증착 용접할 때에 코팅 영역으로부터의 열복사의 강도 프로파일을 개략적인 그레이 값 표현으로 보여준다.
도 3b는 도 3a의 강도 프로파일을 개략적인 3차원 표현으로 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 코팅 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 1은 레이저 증착 용접에 의해 공작물(14)의 회전 표면 영역(12)을 코팅하기 위한 시스템(10)을 도시한다. 공작물(14)은 예를 들어 내부 환기 채널들을 갖는 내부 환기식 브레이크 디스크일 수 있다. 표면 영역(12)은 여기서 마찰면 역할을 하는 공작물(14)의 단부면에 놓인다. 표면 영역(12)에는 마모 감소 코팅이 제공되어야 한다.
회전 대칭 표면 영역(12)을 코팅하기 위해, 공작물(14)은 회전 장치(24)에 의해 대칭 축(26)을 중심으로 회전된다. 회전 운동은 코팅 공정이 둘레 방향으로 진행되게 한다. 또한, 공작물은 측면 방향(여기서는 반경 방향)으로 해당 피드를 실행하기 위해 회전 장치(24)에 의해 반경 방향으로 이동될 수 있다.
시스템(10)은 레이저 장치(16)를 갖는다. 레이저 장치(16)는 레이저 빔(18)을 방출한다. 레이저 빔(18)은 회전 표면 영역(12)에 닿는다. 이로써 공작물(14)의 재료는 레이저 빔(18)의 충돌점 영역에서 국부적으로 용융될 수 있다. 측면 방향으로의 피드를 위해, 공작물(14)의 이동 대신, 레이저 장치(16)의 이동이 수행될 수 있다.
분말형 코팅 재료(22)는 공급 장치(40)를 통해 노즐(20)에 의해 공작물(14)을 향해 레이저 빔(18) 내로 블로잉된다. 이는 도 1에 매우 추상적인 형태로만, 특히 축척에 맞지 않게 도시되어 있다. 노즐(20)은 레이저 빔(18)에 대해 동심으로 배열될 수 있다. 코팅 재료(22)는 공작물(14)에 닿기 전에 레이저 빔(18)으로 용융된다. 따라서 이는 초고속 레이저 증착 용접 공정이다. 용융된 코팅 재료(22)는 표면 영역(12)에서 공작물(14)의 국부적으로 용융된 재료에 부딪친다. 코팅 재료(22)와 공작물(14)의 용융물들은 레이저 빔(18)의 충돌점이 공작물(14)의 피드 이동으로 인해 더 이동하는 경우, 서로 결합되어 응고되고 코팅을 형성한다.
도 4에 도시된 흐름도에서는 이전에 설명한 코팅 공정이 단계 102로 도시되어 있다. 코팅 공정(102)이 수행되는 동안, 단계 104에서는, 레이저 빔(18)과 코팅 재료(22)의 충돌점의 영역에서 공작물(14)이 방출하는 열복사(30), 보다 정확하게는 적외선 복사의 강도 프로파일이 기록된다. 이를 위해, 시스템(10)은 카메라(28), 즉 적외선 카메라를 갖는다(도 1 참조).
도시된 실시예에서, 시스템(10)은 레이저 빔(18) 및 카메라(28) 또는 상기 카메라(28)에 의해 캡처된 열복사(30)를 위한 공통 광학 장치(34)를 갖는다. 공통 광학 장치(34)는 렌즈 또는 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 이색성 거울(42)은 레이저 장치(16)로부터 공작물(14)로 레이저 빔(18)을 통과시키고 공작물(14)로부터 레이저 빔(18)에 동축으로 다시 방사되는 열복사를 카메라(28)로 편향시킬 수 있다.
회전 공작물(14)에 대한 원하는 코팅 공정 동안 프로세스 구역으로부터의 열복사의 강도 프로파일이 도 2a 및 2b에 도시되어 있다. 강도 프로파일은 가우시안 프로파일과 유사하며 전역 최대치(44)를 갖는다. 피드 이동으로 인해 강도 프로파일은 대칭이 아니며 어느 정도 왜곡된다. 전역 최대치(44)는 측면 피드 방향(46)으로 공작물(14)에 대한 레이저 빔(18)의 충돌점 후에 진행한다. 둘레 방향의 피드는 화살표(48) 방향으로 발생한다.
도 3a 및 도 3b는 코팅 공정 중에 공작물(14)에, 예를 들어 환기 채널의 영역에서 열이 축적될 때의 열복사의 강도 프로파일을 보여준다. 열이 축적되면 강도 프로파일의 형상이 변경된다. 특히, 강도 프로파일은 전역 최대치(44)에 추가해서 국부적 최대치(50)를 갖는다. 국부적 최대치(50)는 측면 피드 방향(46)으로 전역 최대치(44)에 앞서며 접선 피드 방향(48)으로는 뒤선다. 전역 최대치(44)에 대해 오프셋되며 측면 피드 방향(46)에서 전역 최대치(44)에 앞서는, 둘레 방향(접선 피드 방향(48)에 평행)으로의 강도 프로파일 단면에서, 국부적 최대치(50)는 "전역 최대치"로 나타난다. 국부적 최대치(50)의 크기는 전역 최대치(44)의 크기보다 작다.
전역 최대치(44)에 대해 정의된 단면에서 이러한 국부적 최대치(50)의 유무는 강도 프로파일의 특성을 나타낸다. 특히, 이 단면에서 열복사 강도의 최대량은 강도 프로파일의 특성을 설명한다(설계된 경우 이는 국부적 최대치(50)의 크기에 해당함). 강도 프로파일의 추가 특성들은 예를 들어 강도 프로파일의 직경(낮은 강도 임계값과 관련하여), 전역 강도 최대치(44)의 크기, 강도들의 합(낮은 임계값에 의해 제한되는 강도 프로파일의 영역에 대한 강도의 적분), 강도들의 평균(낮은 임계값에 의해 제한되는 강도 프로파일 내) 및/또는 강도 프로파일의 형상이다. 단계 106에서, 전술한 특성들 중 하나에 대한 적어도 하나의 특성 값이 결정된다(도 4 참조).
원하는 대로 진행되는 코팅 공정에서 이러한 특성들 중 적어도 하나를 표현하기 위해, 적어도 하나의 해당 목표값이 코팅 공정 시작 전에 단계 108에서 정의되었다. 단계 110에서는 목표값과 결정된 특성 또는 그 특성값이 서로 비교된다.
비교 결과가 예를 들어 열 축적 또는 과도한 열 방출로 인해, 코팅 공정의 원하는 과정에서 벗어났음을 나타내는 경우, 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터가 단계 112에서 적절하게 조정된다. 코팅 공정은 강도 프로파일의 특성이 그 목표값에 접근하도록 변경된다. 이는 파라미터가 변경되지 않은 경우보다 더 나은 품질의 코팅을 얻을 수 있게 한다. 변경될 파라미터는 예를 들어 레이저 빔(18)의 레이저 출력, 둘레 방향(48)의 피드 속도, 측면 방향(46)의 피드 속도, 측면 방향(46)에서 레이저 빔(18)의 연속하는 충돌점들의 오프셋 및/또는 코팅 재료(22)의 질량 흐름일 수 있다.
단계 106, 108, 110 및 112를 수행하기 위해, 시스템(10)은 제어 장치(32)를 갖는다(도 1 참조). 제어 장치(32)는 카메라(28)에 통합될 수 있다. 시스템(10)은 또한 카메라(28)에 통합될 수 있는 저장 장치(36)를 갖는다. 하나 이상의 목표값, 강도 프로파일의 특성값들 및/또는 목표값들과의 비교 결과들이 저장 장치(36)에 저장될 수 있다. 디스플레이 장치(38)는 카메라(28)에 연결되거나 이것에 통합될 수 있다. 디스플레이 장치(38)는 예를 들어 노출, 초점, 이미지 섹션의 크기 등에 대한 카메라 설정을 조정할 수 있도록 카메라(28)에 의해 기록된 이미지를 디스플레이할 수 있다.
요약하면, 본 발명은 초고속 레이저 증착 용접 방법에 관한 것이다. 공작물은 실질적으로 회전 대칭인 표면 영역이 코팅되도록 회전된다. 진행 중인 코팅 공정의 열 특성값들은 열 화상으로부터 결정되고 목표값과 비교된다. 예를 들어 공작물의 국부적으로 다른 열 흡수 능력으로 인해, 최적이 아닌 코팅 조건들은 비교를 기반으로 식별될 수 있으며 필요한 경우 그에 따라 수정된다.
10: 시스템
12: 표면 영역
14: 공작물
16: 레이저 장치
18: 레이저 빔
20: 노즐
22: 코팅 재료
24: 회전 장치
26: 대칭축
28: 카메라
30: 열복사
32: 제어 장치
34: 광학 장치
36: 저장 장치
38: 디스플레이 장치
40: 공급 장치
42: 이색성 거울
44: 전역 최대치
46: 측면 피드 방향
48: 접선 피드 방향
50: 국부적 최대치
102: 레이저 증착 용접에 의한 코팅 단계
104: 강도 프로파일의 기록 단계
106: 특성의 특성값 결정 단계
108: 목표값을 미리 정의하는 단계
110: 비교 단계
112: 변경 단계

Claims (15)

  1. 레이저 증착 용접에 의해 공작물(14)의 회전 표면 영역(12)을 코팅하는 코팅 방법으로서,
    분말형 코팅 재료(22)가 상기 공작물(14)에 닿기 전에, 상기 표면 영역(12)을 향하는 레이저 빔(18)으로 용융되고,
    상기 공작물(14)에 의해 방출된 열복사(30), 특히 적외선 복사의 공간적으로 분해된 강도 프로파일이 캡처되고,
    상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성은 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교되고,
    비교 결과에 따라 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터가 변경되는, 코팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강도 프로파일은 카메라(28), 바람직하게는 적외선 카메라를 사용하여 캡처되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 빔(18) 및 상기 열복사(30)를 위한 공통 광학 장치(34)가 제공되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성은
    - 상기 강도 프로파일의 직경,
    - 전역 강도 최대치(44)의 크기,
    - 강도들의 합,
    - 강도들의 평균, 및/또는
    - 상기 강도 프로파일의 형상
    으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 특성은 상기 강도 프로파일의 단면을 평가함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단면은 상기 표면 영역(12)의 둘레 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 단면은 전역 강도 최대치에 대해, 바람직하게는 측면 피드 방향(46)으로 상기 전역 강도 최대치(44) 전방으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특성은 국부적 강도 최대치(50)의 표현, 특히 크기인 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터는
    - 레이저 출력,
    - 둘레 방향(48)으로의 피드 속도,
    - 측면 방향(46)으로의 피드 속도,
    - 측면 방향으로 상기 레이저 빔(18)의 연속하는 충돌점들의 오프셋, 및/또는
    - 상기 코팅 재료(22)의 질량 흐름
    으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅 재료(22)는 상기 레이저 빔(18)에 동심인 노즐(20)로부터 나오는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공작물(14)은 측면 방향 및/또는 둘레 방향으로 가변 열 흡수 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 코팅 방법.
  12. 레이저 증착 용접에 의해 공작물(14)의 회전 표면 영역(12)을 코팅하는 코팅 시스템(10)으로서,
    - 레이저 빔(18)을 상기 표면 영역(12)으로 향하게 하는 레이저 장치(16),
    - 상기 레이저 빔(18)에 코팅 재료(22)를 블로잉하는 노즐(20),
    - 상기 공작물(14)을 회전시키는 회전 장치(24),
    - 상기 공작물(14)에 의해 방출된 열복사(30), 특히 적외선 복사의 강도 프로파일을 기록하는 카메라(28), 특히 적외선 카메라, 및
    - 상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 특성을 적어도 하나의 미리 정의된 목표값과 비교하고 비교 결과에 따라 코팅 공정의 적어도 하나의 파라미터를 변경하도록 구성된 제어 장치(32)
    를 포함하는, 코팅 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 레이저 장치(16)와 상기 카메라(28)를 위한 공통 광학 장치(34)가 제공되는 것을 특징으로 하는 코팅 시스템.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 강도 프로파일의 적어도 하나의 값 및/또는 적어도 하나의 특성을 저장하기 위한 저장 장치(36)를 더 포함하는 코팅 시스템.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강도 프로파일, 상기 적어도 하나의 특성, 상기 적어도 하나의 파라미터, 상기 적어도 하나의 파라미터와 적어도 하나의 목표값과의 편차의 적어도 하나의 값을 출력하기 위한 및/또는 상기 카메라(28)의 이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 장치(38)를 더 포함하는, 코팅 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1396556A1 (en) 2002-09-06 2004-03-10 ALSTOM (Switzerland) Ltd Method for controlling the microstructure of a laser metal formed hard layer
US6995334B1 (en) 2003-08-25 2006-02-07 Southern Methodist University System and method for controlling the size of the molten pool in laser-based additive manufacturing
DE102004042492A1 (de) 2004-08-31 2006-03-09 WINKLER + DüNNEBIER AG Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Schneid- oder Prägewalze mittels Laserauftragsschweißen
JP6342912B2 (ja) 2012-11-08 2018-06-13 ディーディーエム システムズ， インコーポレイテッド 金属構成要素の加法的製造および修復
DE102013112244B4 (de) * 2013-08-06 2017-02-16 Scansonic Mi Gmbh Verfahren zum Strahlfügen
JP6359316B2 (ja) 2014-03-31 2018-07-18 三菱重工業株式会社 三次元積層装置及び三次元積層方法
DE102015215645B4 (de) * 2015-08-17 2017-04-13 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Erwärmung eines Objekts und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung
DE102016211935B4 (de) * 2016-06-30 2019-06-06 Sauer Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Prozessüberwachung bei einem Auftragschweiß-Verfahren
US10688560B1 (en) 2017-03-21 2020-06-23 United States Of America As Represented By The Administrator Of Nasa Method of mapping melt pattern during directed energy fabrication
DE102018128265A1 (de) * 2018-11-12 2020-05-14 Eos Gmbh Electro Optical Systems Verfahren und Vorrichtung zur Generierung von Steuerdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung
DE102018130798A1 (de) * 2018-12-04 2020-06-04 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Geregeltes Pulverauftragsschweißverfahren

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